ELECTRICIDAD = ELECTRONES EN MOVIMIENTO.

En primer lugar, está establecido el hecho de que, hasta la fecha, todo hace suponer que la carga eléctrica en un electrón es siempre la misma. En otras palabras, un eléctron de hidrógeno y uno de platino o de uranio son en realidad una misma cosa: cierta carga eléctrica negativa de valor igual.

Siendo cargas idénticas, es razonable que sigan las mismas leyes físicas y produzcan los mismos efectos eléctricos. En esta forma, las manifestaciones que notamos, tienen que estar producidas por un número
correpondiente de electrones en acción, es decir de electrones animados de movimiento suficiente como para producir efectos.

Otro punto muy importante y que debemos tener presente en todo momento es, que los electrones no son ni creados ni destruidos. Su existencia en el universo ha quedado establecida desde tiempo inmemorial, y continuará hasta el infinito. Lo único que acontece es un contínuo movimiento de los electrones y la trasmutación de los átomos, es decir: que se convierten en sustancias diferentes.

Podemos decir que el átomo es energía latente; habilidad para producir trabajo. En ciertos casos, como en el del elemento radio y otras sustancias radioactivas, la energía dentro del átomo está siendo utilizada en una forma accidental o sin aparente razón para ello.

Es así como del radio y otras sustancias semejantes emanan o salen rayos especiales, capaces de causar quemaduras y otros efectos. Aparte de las radiaciones que nosotros podemos apreciar, se está efectuando un rearreglo interno molecular, hasta que finalmente, esas sustancias quedan convertidas en plomo. La actividad atómica cesa entonces, lo que nos demuestra que fué una pequeñísima parte de sus átomos los que estaban en cierto estado de desequilibrio, y que la materia de sí misma, logró restablecer las condiciones normales.

Cargas iguales se repelen.

Una de las leyes fundamentales de la electrónica es la siguiente: cargas iguales se repelen. La fuerza con que tratan de apartarse una de las otras depende directamente de la intensidad de las cargas.

Como los electrones, son cargas negativas, existe una fuerza de repulsión entre ellos muy grande. Esa fuerza es de tal magnitud, que si pudieran agrandarse dos electrones para que cada uno pesara un gramo, y se colocaran a un centímetro uno del otro, tratarían de separarse con una fuerza equivalente a: 320.000.000.000.000.000.000.000.000 toneladas.

Cargas iguales se repelen.

La cifra anterior es de tal magnitud, que no es fácil leerla, menos poder apreciar su significado; de todos modos, nos sirve para comprender que la repulsión entre los electrones es grandísima.

Cargas opuestas se atraen.

Otra ley importantísima de electrónica es: cargas opuestas se atraen. La fuerza de atracción depende también directamente de la intensidad de las cargas.

Un protón tiene carga positiva, mientras que el electrón es negativo, así es que existe una fuerte atracción entre ellos.

Cargas opuestas se atraen.

Esas dos leyes nos permiten darnos mejor cuenta de las condiciones dentro del átomo: El núcleo, formado por protones (cargas positivas), atrae fuertemente a los electrones, pero como éstos tienen cargas iguales, negativas, al acercarse al núcleo se repelen entre sí, moviéndose a gran velocidad hacia afuera.

Su movimiento es contrarrestado, sin embargo, por la misma atracción de los protones, así como por la repulsión de electrones de átomos cercanos.

Electrones sueltos.

Otra característica importante de ciertos átomos es la de tener uno o más electrones en órbitas tan separadas del núcleo, que reciben una atracción relativamente ligera de éste. Bajo condiciones especiales, tendentes a acelerar el movimiento de esos electrones, es posible que salgan fuera de la línea divisoria del átomo y se alejen.

Un átomo que ha perdido un electrón, ya no continúa bajo el estado normal de cargas eléctricas neutralizadas, sino que se convierte en un átomo con polaridad positiva aparente, o lo que llamemos: ión positivo.

Bajo esas condiciones, cualquier electrón que llegue a pasar a una distancia conveniente, será atraído y en vez del ión volveremos a tener un átomo con cargas neutralizadas.

Como decíamos antes, esos fenómenos tienen efecto en ciertos átomos solamente: en átomos con electrones sueltos o que están más expuestos a ser afectados por cargas externas.

Uno de esos electrones, al ser desalojado de un átomo, puede ser atraído por otro átomo que había perdido también un electrón o bien, puede entrar a formar parte de un átomo normal. Esto equivaldría a causar que ese átomo tuviera entonces polaridad negativa aparente.

Un átomo que ha ganado un electrón, por alguna causa, se denomina un ión negativo, y demuestra polaridad negativa, tratando de repeler los electrones de átomos cercanos.

Representación de un átomo normal y de dos iones.

Los iones, ya sean positivos o negativos, son de todos modos átomos inestables, anormales. Sus cargas aparentes buscan inmediatamente la forma de neutralizarse, ya sea haciendo que el electrón extra pase a otro ión positivo o bien tomando un electrón de un ión negativo, según sea el caso.

Representación de átomos con y sin electrón libre.

Iones formados por la fricción.

Existen varios métodos para lograr el movimiento de esos electrones libres. El más sencillo y común consiste en frotar cierto objeto con otra sustancia especial; por ejemplo: frotar una varilla de vidrio con un trapo de seda, o una varilla de caucho endurecido con un trapo de lana.

Formación de iones por medio de la fricción.

Si la atmósfera está seca, se encontrará que después que esas varillas han sido frotadas vigorosamente, son capaces de atraer pequeños pedacitos de médula de sáuco o de papel. Si se acercan a un instrumento capaz de indicar la presencia de cargas eléctricas, se encontrará que las varillas no acusan polaridad alguna normalmente, pero después de haber sido frotadas, el instrumento indica cargas bien aparentes.

Lo que sucede es lo siguiente: Bajo condiciones normales, los átomos que forman las varillas tienen neutralizadas o equilibradas sus cargas eléctricas; al frotarse, la varilla pierde algunos de los electrones libres pertenecientes a los átomos de su superficie y esos electrones pasan al trapo.

Eso quiere decir que en ciertos casos, la varilla frotada adquirirá un potencial aparente positivo, por haber perdido cierto número de electrones. La atracción hacia objetos pequeños será entonces el resultado de la tendencia de recuperar esos electrones libres.

En otras ocasiones, la varilla tomará electrones del trapo y adquirirá así un potencial negativo aparente. La atracción hacia otros cuerpos será el resultado del esfuerzo por deshacerse de ese exceso de electrones.

Como la tendencia de cualquier átomo es la de equilibrar sus cargas, las condiciones especiales anteriores pronto desaparecen, ya sea porque hay intercambio de electrones entre los objetos o simplemente, entre uno de ellos y los átomos del aire que lo rodea. Cuando eso sucede, decimos que el cuerpo ha quedado descargado. El electroscopio, indica esas condiciones.

La carga de una varilla que ha sido frotada se puede apreciar con la ayuda de un electroscopio.

Este término no es en realidad muy correcto, pero por muchos años se ha llamado "cargas electrostáticas" al desequilibrio eléctrico ocasionado por la formación de iones, en la manera que hemos descrito.

El término electrostático significa: electricidad estacionaria, para diferenciarla de la electricidad dinámica, o en movimiento.

Aparte de la fricción, hay otros medios de producir cargas electrostáticas, siendo la más común la proximidad de un cuerpo cargado eléctricamente. Por ejemplo: si ud. acerca un foquito de gas neón a un alambre que conduce corriente eléctrica de alto potencial o "voltaje", observará que se enciende, tenga el cuidado de no tocarlo.

Un conductor de alto voltaje está rodeado de líneas de fuerza electrostática que se extienden hacia afuera.

Técnicamente decimos que el foquito ha quedado dentro del campo electrostático de la corriente, o que ha quedado expuesto al efecto de líneas de fuerza electrostática. En otros términos: el campo electrostático es el espacio dentro del cual se hace sentir el efecto de cierta carga eléctrica muy intensa.

Este efecto aumenta considerablemente a medida que se acerca un cuerpo a otro y, por supuesto, si los dos cuerpos tienen cargas semejantes, se repelerán. Si las cargas son opuestas, entonces existirá atracción entre ellas, según explicamos antes.

Esos efectos dependen en forma inversa del cuadrado de la distancia entre ellas. Lo que se quiere decir en términos comunes, es que el efecto de atracción o de repulsión disminuye a medida que aumenta la distancia entre las cargas. Además, la variación no va  siendo en la misma proporción que va cambiando la distancia, sino según el cuadrado de ella.

Por ejemplo, la repulsión entre dos electrones a un milímetro de separación será 4 veces mayor que la que hay cuando están a dos milímetros, y 9 veces mayor que la que hay a 3 milímetros.

El efecto de atracción y repulsión varia inversamente con el cuadrado de la distancia.

En la misma forma, la repulsión entre ellos será 4 veces menor si se dobla la distancia, 9 veces menor si se triplica, 16 veces menor si se hace 4 veces mayor, etc. (El cuadrado de un número es el resultado de multiplicarlo por sí mismo, así es que el cuadrado de 2 es: 2x2=4, el cuadrado de 3 es 3x3=9, etc).

Los átomos metálicos.

No todas las sustancias pueden cargarse electrostáticamente por la fricción, pero en cambio, hay otras sustancias que con bastante facilidad permiten el viaje de electrones libres entre los átomos.

Por ejemplo, si ud. toma una varilla de cobre, por más que la frote no logrará que demuestre cargarse electrostáticamente, como sucede con una de vidrio. En cambio, si la acerca a un cuerpo cargado eléctricamente, observará esa carga en el extremo alejado de la varilla.

Decimos estonces que el cobre conduce con facilidad las cargas eléctricas o que es un  conductor de electricidad.

Representación de las condiciones en un buen conductor.

Prácticamente todos los metales son buenos conductores. Los átomos de los metales, y algunos otros elementos, están constituidos de tal forma que en la órbita de más de afuera, hay uno o más electrones libres, al grado de tener la tendencia de salirse del átomo, en la primera oportunidad.

Teniendo eso en cuenta, supóngase ud. que tomamos un alambre de cobre o cualquier otro metal, y lo conectamos a un aparato capaz de mantener un potencial positivo en uno de sus bornes. A este aparato lo llamaremos pila.

En el momento que completemos el circuito, es decir: tengamos un pasaje completo formado por conductores de electricidad, el potencial positivo de la pila atrae fuertemente los electrones libres más próximos.

Los átomos que han perdido esos electrones, adquieren potencial positivo; a su vez, atraen electrones libres de átomos más retirados de la pila. El proceso continúa rápidamente, hasta que al fin, el extremo del alambre que está conectado al borne negativo de la pila, pierde también electrones y toma polaridad positiva.

Durante todo ese tiempo, probablemente una fracción pequeñísima de un segundo, se han estado acumulando electrones en el interior de la pila, por lo que el borne negativo será forzado a dejar salir esos electrones, para que vayan a reemplazar los que faltan en átomos del alambre.

Ya para entonces se volvió a establecer una demanda urgente de electrones en el alambre, por lo que el fenómeno se repite contínuamente, mientras esté existente ese potencial generado por la pila.

Representación del momento en que se conecta el conductor a la pila.

Cuál es el resultado?. Simplemente, que se establezca una corriente constante de electrones, y que esa corriente entre a la pila por el borne positivo y salga por el negativo. Esa corriente de electrones es lo que llamamos comunmente corriente eléctrica. Es la manifestación de la electricidad dinámica o electricidad en movimiento.

Cuando por el conductor circula un número pequeño de electrones, decimos que la corriente es debil. Por otra parte, una corriente muy fuerte estará constituida por un número muy grande de electrones en movimiento.

Necesitamos alguna manera de poder indicar qué intensidad tiene una corriente cualquiera. Para ello empleamos los amperios, una unidad que nos indica lo fuerte que es la corriente de electrones que pasa por un punto dado del circuito, en un segundo.

Si decimos que por el filamento de un foco pasa una corriente de 5 amperios, mientras que por un timbre eléctrico circula un amperio, inmediatamente sabemos que por el foco circula un número de electrones cinco veces mayor del que recibe la campanilla eléctrica.

El amperio, o unidad de intensidad de corriente eléctrica, lo podemos comparar con el término "litros por segundo" en el caso de una tubería de agua. Usted sabe bien que una corriente de agua de 5 litros por segundo será más fuerte que otra corriente de sólo un litro por segundo.

Significado de corriente eléctrica indicada en amperios.

La fuerza electromotriz.

Si analizamos más detenidamente el fenómeno de una corriente eléctrica, encontramos que la pila no ha fabricado electrones. Lo único que ha hecho es proporcionar una fuerza para poner en movimiento electrones del conductor. Al desconectar la pila, ese movimiento cesará, y los átomos del conductor volverán a neutralizar sus cargas.

Esa fuerza, capaz de establecer la corriente eléctrica, la llamamos fuerza electromotriz. La podemos comparar con la presión generada en una bomba centrífuga, que es capaz de mantener circulando por la tubería una corriente de agua.

En los dos casos, ni la bomba fabrica el agua, ni la pila genera electricidad (electrones). Los dos aparatos sirven únicamente para generar presión que establezca la corriente.

Y así como hay bombas de diferentes tamaños y para generar presiones distintas, también hay pilas y otros aparatos eléctricos capaces de producir fuerzas electromotrices distintas. Se necesita una unidad para poder indicar con exactitud el valor de fuerzas electromotrices. Esa unidad es el voltio.

Podemos decir que la fuerza electromotriz producida por cierta pila es de 2 voltios, o que un generador es de 110 voltios, otro de 5.000 voltios, etc. Mientras más alta sea la fuerza electromotriz, mayor será el efecto sobre los electrones libres de cualquier conductor que se conecte a la fuente de aquella.

Cuando la fuerza electromotriz o "voltaje" se aumenta, se hace mayor la atracción hacia los electrones libres, así es que se pondrán en movimiento un número mayor de ellos, lo que equivale a que la corriente sea mas fuerte.

Eso no quiere decir, sin embargo, que una fuerza electromotriz (o "voltaje", como es común llamarle también), de 2 voltios, produzca siempre una corriente del doble de la obtenida con un voltio. Hay otro factor importante que afecta la intensidad de la corriente eléctrica: la resistencia del conductor.

La resistencia.

Sabemos que un átomo de hierro no es igual a uno de plata, ni éste es idéntico a uno de plomo, etc. Se diferencia tanto en el número total de electrones planetarios, como en el número de electrones libres, arreglo de las órbitas, etc. Por otra parte, diferentes metales tienen también diferente arreglo de sus moléculas.

Todas esas variaciones contribuyen a que una misma fuerza electromotriz produzca corrientes distintas, en conductores de diferente metal y hasta en conductores del mismo metal, pero con gruesos distintos.

Lo que sucede es que los electrones libres que pueden salirse de sus átomos varían en número, y caminan en formas diferentes. En ciertos conductores, las moléculas están arregladas de tal manera, que hay grandes espacios libres, por donde pueden trasladarse los electrones a gran velocidad. Aun así, un electron que principia su viaje en un extremo del conductor no llega hasta el otro extremo, porque durante su travesía puede ser atraído hacia un átomo que haya perdido uno o más electrones. Puede también chocar contra otro electron, haciéndolo salir de su átomo y reemplazándolo en su lugar.

En otros conductores, la constitución melecular es más tupida y los electrones libres están más asegurados en sus órbitas. Una fuerza electromotriz, aunque sea elevada, desalojará un número reducido de electrones y éstos pronto chocarán con átomos normales o desbalanceados. Así es como se forma bastante agitación en el conductor, con electrones partiendo de un átomo y chocando y rebotando, haciendo que otros electrones se desalojen también y sufran la misma suerte.

Esa agitación atómica produce calor, y la corriente eléctrica es relativamente pequeña, a menos que el voltaje aplicado sea elevado. Técnicamente hablando, decimos que se trata de un conductor pobre, que ofrece mucha resistencia eléctrica. (Mal conductor, porque ofrece mucha oposición al paso de la corriente eléctrica).

Y así como la fuerza electromotriz la expresamos en voltios, para indicar resistencia eléctrica empleamos como unidad el ohmio. Por ejemplo: si cierto alambre de cobre tiene una resistencia de 5 ohmios, mientras que un alambre de hierro tiene 20 ohmios, el segundo ofrece una dificultad cuatro veces mayor para el paso de la corriente.

Ciertos materiales como el carbón, tienen una estructura tán cerrada y los elctrones libre tan bien asegurados en sus órbitas, que con dificultad se establece la corriente eléctrica; en otras palabras, ofrecen mucha resistencia. Para mayor comodidad los denominamos resistores.

Representación de las condiciones existentes en un resistor.

La tabla I proporciona una comparación exacta de los materiales más comúnmente empleados como conductores eléctricos, así como de varios resistidores populares.

Según observará, la plata es el mejor conductor, porque tiene menor resistencia eléctrica (menor oposción al paso de la corriente). Su alto costo impide su uso frecuente, prefiriéndose el cobre que, aunque tiene una poca más resistencia, es abundante y barato.

Los aisladores.

Finalmente, hay otros átomos que no tienen electrones libres, como los que hemos estado considerando, sino que todos están bien retenidos por la atracción del núcleo. Por ejemplo: la mica, el vidrio, la baquelita, están formados por moléculas de átomos sin electrones libres.

Si conectamos una tira de baquelita a una fuente de voltaje, no se establecerá corriente eléctrica alguna. Sin embargo, los átomos estarán influenciados por el potencial positivo de la fuente de voltaje y toda la pieza adquirirá un estado de agitación, con la tendencia a establecer una corriente eléctrica.

Eso es posible si el voltaje aplicado se aumenta más y más, hasta que llegan a desligarse los electrones. Esas sustancias las llamamos asiladores, y el volataje  que llega a producir la corriente eléctrica es denominado: volataje de perforación,porque casi siempre, cuando se establece la corriente por el aislador, se genera tanto calor que el material queda perforado.

Un aislador expuesto a un volatje se dice que se encuentra bajo tensión electroestática, porque si bien no se establece paso de corriente, sus átomos quedan de todos modos sujetos a la atracción y repulsión de los potenciales de la fuente de volatje.

El voltaje de perforación aumenta a medida que aumenta también el grueso del aislador. Este hecho nos permite diseñar o escoger aisladores convenientes para cualquier voltaje a mano, con el fin de confinar la corriente eléctrica dentro de conductores y poder así utilizarla para prodicir trabajo y otros efectos benéficos.